稠油開采廢水綜合治理回用工藝的研究

王 凱 林建明 吳延武 杜可正 田 源

（北京格蘭特膜分離設(shè)備有限公司，北京 100029）

我國(guó)油田稠油多采用注水注氣輸油的方式，開采過(guò)程中需要注入蒸汽，隨著稠油的采出，會(huì)產(chǎn)生大量的污水。隨著開采時(shí)間的增加，耗水量也越來(lái)越高[1]。生產(chǎn)蒸汽需要消耗大量的淡水資源，將蘊(yùn)含較高熱量值的高含鹽稠油污水處理為蒸餾水回用注氣鍋爐[2]。既解決了污水的去向問(wèn)題，同時(shí)也能夠節(jié)省寶貴的水資源。為維持原油產(chǎn)量，國(guó)內(nèi)油田開始逐步采用蒸汽輔助重力泄油熱采技術(shù)[3]，但制約熱采工藝油田領(lǐng)域的推廣難題在于，該工藝采油過(guò)程中會(huì)產(chǎn)水高鹽、高溫、高硅的含油廢水有效處理和回用[4]。針對(duì)某油田稠油聯(lián)合站采油廢水COD難于降解、硅含量較高、現(xiàn)有脫鹽水處理系統(tǒng)污堵嚴(yán)重等特點(diǎn)，決定采用如下中試工藝流程：混凝沉淀（包括鎂劑除硅）+MCM（A/O）+ GRT-OEB+UF+一級(jí)RO+二級(jí)RO+EDI。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證工藝可行性，考察和優(yōu)化各工藝參數(shù)流程，為污水處理工程提供最適宜工藝流程及可信賴技術(shù)參數(shù)。

1 中試過(guò)程與結(jié)論

1.1 采油廢水進(jìn)出水水質(zhì)

試驗(yàn)用采油廢水來(lái)自稠油聯(lián)合站出水，經(jīng)檢測(cè)，主要水質(zhì)指標(biāo)如下：

1.2 試驗(yàn)水處理工藝方案

水中的雜質(zhì)包括了懸浮物、膠體、溶解性有機(jī)物和溶解性無(wú)機(jī)鹽。其中，懸浮物可以采用沉淀、過(guò)濾技術(shù)（包括微濾和超濾膜技術(shù)）除去；對(duì)于膠體需要通過(guò)投加絮凝劑與膠體反應(yīng)形成固體懸浮物，然后用除去懸浮物的方法加以去除；對(duì)于溶解性有機(jī)物可以用生化法（包括膜生物反應(yīng)器）、活性炭吸附法或反滲透法去除；對(duì)于溶解性無(wú)機(jī)鹽可以用離子交換、電滲析和反滲透法去除。

綜合分析水質(zhì)特點(diǎn)，本方案擬采取以下技術(shù)措施：

a. 混凝沉淀池：去除水中SS、膠體、大部分硅、油、硬度和堿度；

b. MCM 生物膜反應(yīng)器：降解水中可生化部分COD；

c. GRT-OEB 二級(jí)組合：通過(guò)高級(jí)氧化和生物濾池，進(jìn)一步降解水中難生化的COD；

d. 超濾系統(tǒng)：攔截SS、膠體等，保證出水SDI 小于3；

e. 二級(jí)反滲透：脫鹽率98%，出水含鹽量低于5ppm；

f. EDI：深度除鹽，產(chǎn)水滿足鍋爐補(bǔ)給水要求，出水電導(dǎo)率低于0.2us/cm。

工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 稠油開采廢水工藝流程圖

1.3 主要試驗(yàn)裝置

1.3.1 除硅、軟化沉淀系統(tǒng)

稠油廢水的預(yù)處理技術(shù)包括加藥混凝澄清法、鎂劑法等[5]。試驗(yàn)采用氫氧化鈉-鎂劑除硅軟化，試驗(yàn)設(shè)備為高密度澄清池，配套NaoH 加藥裝置，MgCl2加藥裝置、PAC 加藥裝置、PAM 加藥裝置和鹽酸加藥裝置。裝置運(yùn)行流量1.8m3/h。

1.3.2 MCM 生化系統(tǒng)

MCM 缺氧/厭氧反應(yīng)器利用MCM 填料，以固定床的方式將不同種類的微生物固定在填料表面或填料內(nèi)部。本試驗(yàn)的MCM 好氧-缺氧耦合反應(yīng)器（本公司專200710195135.8）采用復(fù)合功能型填料（本公司專利號(hào)201020204406.9）。由于在水流方向、填料內(nèi)外均存在不同的溶解氧梯度，因此，微生物種群比常規(guī)生化工藝豐富得多，使難降解廢水中的有機(jī)污染物得以去除。

MCM 生物系統(tǒng)好氧出水硝化液回流至缺氧區(qū)，缺氧區(qū)不設(shè)曝氣，溶解氧控制在0.1-0.3mg/L，好氧區(qū)設(shè)置曝氣，溶解氧控制在2-3mg/L。MCM 系統(tǒng)處理量1.8m3/h。

1.3.3 OEB 系統(tǒng)

該工藝?yán)贸粞躅A(yù)氧化作用，使水中難以生物降解的有機(jī)物斷鏈、開環(huán)，轉(zhuǎn)化成簡(jiǎn)單的脂肪烴，改變其生化特性，在客觀上可以增加小分子的有機(jī)物，使活性炭的吸附功能得到更好的發(fā)揮?；钚蕴磕軌蜓杆俚匚剿械娜芙庑杂袡C(jī)物，同時(shí)也能富集微生物，使其表面能夠生長(zhǎng)出良好的生物膜，靠本身的充氧作用，炭床中的微生物就能以有機(jī)物為養(yǎng)料大量生長(zhǎng)繁殖好氧菌，致使活性炭吸附的小分子有機(jī)物充分生物降解。

OEB 系統(tǒng)集合了臭氧和曝氣生物濾池系統(tǒng)，臭氧為下向流。曝氣生物濾池為上向流，曝氣池底部設(shè)置薄膜曝氣裝置，提供溶解氧。出水溶解氧1～3mg/L。OEB 系統(tǒng)處理量1.8m3/h。

1.3.4 UF 超濾系統(tǒng)

原水經(jīng)超濾處理后純水可以保證SDI＜3，明顯提高反滲透膜壽命。

UF 超濾系統(tǒng)為中空纖維外壓式超濾，選用坎普爾1060A 膜組件。超濾為恒流運(yùn)行，超濾系統(tǒng)處理量1.8m3/h。

1.3.5 RO 反滲透系統(tǒng)

反滲透為兩級(jí)反滲透，每級(jí)反滲透系統(tǒng)通過(guò)濃水循環(huán)，模擬工程項(xiàng)目最后一只膜的運(yùn)行狀況。一級(jí)反滲透產(chǎn)水流量1.2 m3/h，回收率70%，二級(jí)反滲透產(chǎn)水量1.1 m3/h，回收率90%。

1.3.6 EDI 系統(tǒng)

EDI 系統(tǒng)模塊選用坎普爾CP1000S，產(chǎn)水流量1.0 m3/h。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

1.4.1 除硅、軟化沉淀系統(tǒng)

對(duì)來(lái)水投加NaoH 調(diào)節(jié)PH，加MgCl2使硅變成沉淀，產(chǎn)生的絮體投加PAC 和PAM，降低來(lái)水中的懸浮物、膠體和溶解硅，并去除部分COD，減輕后續(xù)丹元負(fù)荷，也減緩膜系統(tǒng)堵塞[6]。除硅、軟化沉淀系統(tǒng)在傳統(tǒng)混凝除硬沉淀系統(tǒng)中，加上除硅環(huán)節(jié)。除硅、軟化沉淀系統(tǒng)運(yùn)行效果如圖2 所示。

圖2 沉淀去除數(shù)據(jù)圖

來(lái)水硬度基本處于200-400mg/L，個(gè)別時(shí)間進(jìn)水COD 超出500mg/L。來(lái)水總硅處于100-150 mg/L，總硅含量波動(dòng)較小。從除硅、軟化系統(tǒng)沉淀結(jié)果來(lái)看，出水硬度50mg/L 左右，硬度絕對(duì)去除值為450 mg/L 左右，去除率88.9%，去除效果良好。出水總硅45.4mg/L，總硅絕對(duì)去除值為78 mg/L，去除率63.2%。去除效果明顯。此外沉淀系統(tǒng)含油從25.4mg/L 下降到1.1mg/L, 濁度從260.7NTU 下降到3.99NTU。試驗(yàn)表明，除硅、軟化沉淀系統(tǒng)作為預(yù)處理，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，發(fā)揮著不可替代的作用。

1.4.2 MCM 生化系統(tǒng)

MCM 生化系統(tǒng)主要是降解水中溶解性可生化部分的COD，減輕后續(xù)深化處理COD 壓力。

MCM 生化系統(tǒng)平均進(jìn)水124.57mg/L，平均出水COD67.4mg/L，去除率45.9%,COD 絕對(duì)去除值為57.1mg/L；平均進(jìn)水含油1.09mg/,平均出水含油0.003mg/L，去除率99.7%；進(jìn)水濁度3.99NTU，出水濁度0.78NTU，去除率80.5%。

MCM 生化系統(tǒng)降低COD 的同時(shí)，沉淀系統(tǒng)出水殘留的含油在生化段進(jìn)一步除去，減小油膜對(duì)濾池、膜系統(tǒng)的影響。

1.4.3 OEB 系統(tǒng)

OEB 系統(tǒng)為此工藝系統(tǒng)預(yù)處理最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，臭氧投加量10mg/L，出水效果達(dá)到預(yù)定要求。具體數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 OEB 系統(tǒng)數(shù)據(jù)圖

由圖3 可以看出，OEB 系統(tǒng)最大進(jìn)水COD74mg/L，最小進(jìn)水COD52mg/L，平均進(jìn)水COD62.4mg/L。OEB 系統(tǒng)最大出水COD49mg/L,最小出水COD10mg/L,平均出水COD31.6mg/L，系統(tǒng)平均去除率49.3%。

OEB 深度處理單元對(duì)全膜法系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。

1.4.4 超濾UF 系統(tǒng)超濾作為反滲透預(yù)處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)超濾處理后可以保證其出水SDI 小于2，以提高反滲透膜的壽命。

超濾壓差基本穩(wěn)定在68kpa 左右，壓差出現(xiàn)波動(dòng)原因?yàn)镃EB 清洗前后壓差的波動(dòng)。經(jīng)過(guò)正常反洗或CEB反洗均能下降至正常水平，這代表膜的運(yùn)行是正常的，壓差是可恢復(fù)的。

1.4.5 反滲透RO 系統(tǒng)

反滲透設(shè)計(jì)為兩級(jí)反滲透。一級(jí)反滲透回收率70%，脫鹽率98%，二級(jí)反滲透回收率90%，脫鹽率99%。

反滲透為恒流運(yùn)行，通過(guò)壓力變化及電導(dǎo)脫鹽率來(lái)判斷膜運(yùn)行狀況。即固定產(chǎn)水流量，濃水流量及錯(cuò)流量，通過(guò)壓力變化及電導(dǎo)脫鹽率來(lái)判斷膜運(yùn)行狀況。

中試運(yùn)行中，一級(jí)反滲透進(jìn)水電導(dǎo)6500-8000us/cm，出水電導(dǎo)維持在200us/cm -250us/cm。二級(jí)反滲透出水電導(dǎo)10us/cm -30us/cm，進(jìn)水電導(dǎo)隨著溫度及前段預(yù)處理效果有小幅度變化。具體數(shù)據(jù)如圖4、5。

圖4 一級(jí)反滲透電導(dǎo)數(shù)據(jù)圖

圖4、圖5 可知，一級(jí)反滲透運(yùn)行穩(wěn)定，出水水質(zhì)符合設(shè)計(jì)要求。無(wú)論進(jìn)水電導(dǎo)怎么變化，脫電導(dǎo)率都在96%以上。一級(jí)反滲透平均進(jìn)水壓力11.0bar，平均段間壓力10.8bar,平均濃水壓力10.4bar，壓力變化平穩(wěn)。

圖5 一級(jí)反滲透壓力數(shù)據(jù)圖

一級(jí)反滲透運(yùn)行穩(wěn)定，與工藝前端的預(yù)處理有很大關(guān)系，特別是OEB 工藝段。良好的預(yù)處理降低了反滲透污堵的可能，保證了反滲透的平穩(wěn)運(yùn)行。一級(jí)反滲透的穩(wěn)定出水，使得二級(jí)反滲透系統(tǒng)正常運(yùn)行平穩(wěn)進(jìn)水壓力和濃水壓力波動(dòng)較小，平均入水壓力8bar，平均濃水壓力7.6bar,表明膜系統(tǒng)運(yùn)行良好，沒(méi)有污染。

1.4.6 EDI 系統(tǒng)

EDI 系統(tǒng)出水水質(zhì)可達(dá)15MΩ.cm 以上。EDI 系統(tǒng)自運(yùn)行以來(lái)，調(diào)試完成后，出水效果穩(wěn)定良好。出水總硅在17ug/l，低于出水總硅20ug/l 的標(biāo)準(zhǔn)。出水電導(dǎo)最低能達(dá)到0.062us/cm，平均出水電導(dǎo)0.070 us/cm，遠(yuǎn)低于出水標(biāo)準(zhǔn)0.2 us/cm，這為出水效果留有很大余量。

2 結(jié)論

2.1 實(shí)驗(yàn)證明，下述工藝流程完全可以將油田熱采廢水處理到滿足鍋爐給水要求：原水-沉淀池-MCMOEB-超濾-一級(jí)反滲透-二級(jí)反滲透-EDI。

2.2 除硅、軟化工藝能夠有效去除稠油熱采廢水中的硅和鈣離子含量，處理后全硅含量小于50mg/L，能夠滿足后續(xù)降膜處理運(yùn)行的需求。

2.3 GRT-OEB 深度處理單元對(duì)全膜法系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮了重要作用。

2.4 通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，本文提出的工藝系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，出水水質(zhì)好，具有較強(qiáng)的抗負(fù)荷沖擊能力。能實(shí)現(xiàn)水資源的循環(huán)利用，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益良好。